Eisen — das Atom, an dem der Sauerstoff andockt

Die Physik hinter dem Transport: Löslichkeit, Bindung, Abgabe

Sauerstoff löst sich in wässrigen Flüssigkeiten nur in geringem Maße. In 100 Millilitern Blutplasma sind bei normalem Luftdruck rund 0,3 Milliliter physikalisch gelöst. Der Organismus setzt in Ruhe jedoch etwa 250 Milliliter Sauerstoff pro Minute um. Diese Lücke schließt der rote Blutfarbstoff, und in seinem Zentrum sitzt jeweils ein Eisenion.

Hämoglobin besteht aus vier Proteinuntereinheiten. Jede trägt eine Häm-Gruppe: einen flachen Porphyrinring, in dessen Mitte ein zweiwertiges Eisenion von vier Stickstoffatomen gehalten wird. An dieses Ion lagert sich ein Sauerstoffmolekül an, ohne dass das Eisen dabei seine Ladung wechselt. Die Bindung ist umkehrbar — das ist der Unterschied zwischen Transport und Verbrennung. Ein einzelnes Hämoglobinmolekül nimmt auf diese Weise bis zu vier Sauerstoffmoleküle auf.

Warum die Bindungskurve einen S-Bogen beschreibt

Die vier Untereinheiten arbeiten nicht unabhängig voneinander. Sobald die erste Bindungsstelle besetzt ist, verändert sich die räumliche Anordnung des gesamten Moleküls, und die verbleibenden Stellen nehmen Sauerstoff leichter auf. Trägt man die Sättigung gegen den Sauerstoffpartialdruck auf, ergibt sich deshalb keine Gerade, sondern eine geschwungene Kurve.

In den Lungenkapillaren, bei einem Partialdruck um 100 Millimeter Quecksilbersäule, ist der Blutfarbstoff zu etwa 97 Prozent beladen. Im ruhenden Gewebe, bei rund 40 Millimetern, sind es noch etwa 75 Prozent. Die Differenz zwischen beiden Werten ist die Menge, die tatsächlich abgegeben wird. Der Halbsättigungsdruck liegt beim Erwachsenen bei ungefähr 26 Millimetern.

Was im arbeitenden Gewebe die Abgabe erhöht

Wo Muskulatur Arbeit leistet, fällt Kohlendioxid an, der pH-Wert sinkt leicht, die Temperatur steigt. Alle drei Größen setzen die Bindungsneigung des Hämoglobins herab — der Blutfarbstoff gibt seine Fracht dort ab, wo sie gebraucht wird. Dieser Zusammenhang trägt den Namen des dänischen Physiologen Christian Bohr. Als weiterer Mitspieler wirkt 2,3-Bisphosphoglycerat, ein Zwischenprodukt des Zuckerabbaus im roten Blutkörperchen.

Myoglobin als lokaler Zwischenspeicher der Muskelzelle

Neben dem Hämoglobin des Blutes gibt es in der Skelett- und Herzmuskulatur ein zweites eisenhaltiges Farbprotein. Myoglobin besitzt nur eine Untereinheit und eine einzige Häm-Gruppe. Es hält Sauerstoff fester als Hämoglobin und gibt ihn erst bei sehr niedrigem Partialdruck frei, also genau dann, wenn die Zelle in einen Engpass gerät. Etwa fünf Prozent des gesamten Körpereisens sind in diesem Protein gebunden; Fleisch verdankt ihm seine rote Farbe.

Eisen ist kein Vorrat, sondern ein Kreislauf

Ein erwachsener Körper führt drei bis fünf Gramm Eisen mit sich. Dass diese Menge über Jahrzehnte weitgehend gleich bleibt, liegt weniger an der Zufuhr als an einer sehr genauen internen Wiederverwendung.

Verteilt ist der Bestand auf wenige große Posten:

• etwa zwei Drittel im Hämoglobin der roten Blutkörperchen,
• ein knappes Viertel als Ferritin und Hämosiderin in Leber, Milz und Knochenmark,
• rund fünf Prozent im Myoglobin der Muskulatur,
• ein kleiner Rest in Enzymen der Atmungskette und des Zellkerns,
• drei bis vier Milligramm unterwegs im Blutplasma, gebunden an Transferrin.

Rote Blutkörperchen leben etwa 120 Tage. Danach werden sie von Fresszellen in Milz und Leber abgebaut, das Häm aufgespalten und das Eisen zurück in den Kreislauf gegeben. Auf diesem Weg werden Tag für Tag rund 20 bis 25 Milligramm bewegt — ein Vielfaches dessen, was aus der Nahrung hinzukommt. Aus einer gemischten Kost nimmt der Darm nur etwa ein bis zwei Milligramm auf, und genau diese Größenordnung geht über abgeschülfte Haut- und Darmzellen wieder verloren.

Einen eigenen Ausscheidungsweg für überschüssiges Eisen besitzt der Organismus nicht. Gesteuert wird deshalb an der Eingangstür: Das Leberhormon Hepcidin bestimmt, wieviel Eisen die Darmzelle an das Blut weitergibt. Sind die Speicher gut gefüllt, wird die Weitergabe gedrosselt; sind sie knapp, steigt die Aufnahmequote.